黃土高原不同退耕還林植被土壤干燥化效應(yīng)

梁海斌, 薛亞永, 安文明, 王 帥, 李宗善, 呂一河

(1.中國科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室, 北京 100085;2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 西部環(huán)境教育部重點實驗室, 蘭州 730000)

黃土高原干旱半干旱區(qū)植被稀疏，土質(zhì)疏松，受水力與風(fēng)力作用，土壤侵蝕現(xiàn)象嚴重，造成了嚴重的水土流失問題。自20世紀70年代末開始，經(jīng)過一系列生態(tài)恢復(fù)建設(shè)工程，國土整治措施的實施，黃土高原地區(qū)植被覆蓋狀況[1]、土壤侵蝕和水土流失問題得到明顯改善[2]。但是，在黃土高原植被建設(shè)過程中，由于自然干旱和不合理的植被選種及配置模式，植被不斷消耗深層土壤水分[3-4]，造成嚴重的土壤干燥化現(xiàn)象，并導(dǎo)致地表水與地下水聯(lián)系中斷、土壤深層儲水減少而形成土壤干層[5]、人工林草植被衰退、局部氣候環(huán)境趨于旱化[6]等一系列生態(tài)學(xué)問題。近年，黃土高原土壤水分及土壤干燥化問題日益引起人們的重視。現(xiàn)有研究表明，土壤干燥化現(xiàn)象廣泛存在于黃土高原不同植被類型區(qū)，包括林地、草地[7-8]，甚至南部半濕潤區(qū)的草田輪作農(nóng)地[9]。通過長時間序列研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿草地快速消耗深層土壤水分，盡管地表覆蓋能夠降低表層土壤溫度波動，增加表層土壤水分，提高飼草產(chǎn)量，但對于緩解深層土壤干燥化進程作用不大[10]。另外，黃土高原地區(qū)的土壤干層分布具有明顯的空間變異性[11]，土壤干燥化強度受土地利用、植被類型、植物生育期的影響顯著，天然植被的自然演替可以使土壤干層有所緩解，并逐步得到恢復(fù)[12]。同時，對于黃土高原土壤干層水分的恢復(fù)狀況也有相關(guān)研究報道[13-14]，如王志強等[15]研究了黃土高原半干旱區(qū)苜蓿翻耕地土壤干層的水分恢復(fù)狀況，得出苜蓿翻耕后3 a和12 a后2 m以上土層的土壤平均濕度均可恢復(fù)到易效水水平，并能夠滿足1 a生農(nóng)作物的生長需水要求，但不能滿足高耗水的多年生林草植被正常生長需水。劉沛松等[16]對寧南山區(qū)不同生長年限苜蓿深層土壤水分及翻耕后輪作農(nóng)田的水分進行測定，結(jié)果表明隨著糧草輪作年限的增加，苜蓿土壤干層水分恢復(fù)到農(nóng)田濕度的效果越好。但是，關(guān)于土壤干燥化及干層土壤水分恢復(fù)的研究大多僅針對某一特定植被類型，對整個區(qū)域范圍內(nèi)不同退耕還林植被類型的土壤干燥化及干層水分恢復(fù)狀況的研究較少。

經(jīng)過十幾年的退耕還林(還草)工程建設(shè)之后，不同種植年限的深根系植被對土壤水分有何影響？不同退耕還林類型植被的土壤干燥化效應(yīng)如何？因此，以退耕還林工程導(dǎo)致的土壤水分差異為基礎(chǔ)，進行不同退耕還林植被土壤水分對生態(tài)恢復(fù)響應(yīng)的研究有重要的生態(tài)學(xué)意義。為解決這些問題，本研究選取退耕還林示范縣吳起境內(nèi)不同種植年限的典型退耕還林植被，喬木與灌木群落各兩類(刺槐—10，15，25，42 a、杏樹—20，30，50 a、檸條—25，30，50 a、沙棘—10，15，18，38 a)，以多年撂荒草地(撂荒年限40 a以上)為對照，采用空間代替時間方法，系統(tǒng)研究了0—500 cm土層的土壤水分狀況、土壤干燥化程度，并對不同降水年型的土壤干層水分恢復(fù)情形進行估算，以期判定各類退耕還林植被的土壤水分變化規(guī)律及其土壤水分有效性，為黃土高原地區(qū)恢復(fù)植被選種、管理提供相關(guān)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

吳起縣(107°38′57″—108°32′49″E，36°33′33″—37°24′27″N)位于延安市西北部[17]。境內(nèi)梁狀丘陵溝壑分布，海拔介于1 233～1 809 m，總面積為3 791.5 km2。該區(qū)氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶园敫珊禋夂?，年均氣溫?.8℃，最熱月(7月)平均溫度為21.5℃，最冷月(1月)平均溫度為-7.7℃；多年平均降水量為478.3 mm，且年內(nèi)分布不均，7—9月降水量約占全年降水總量的62%以上(圖1)；年均陸地蒸發(fā)量為400～450 mm，干燥度為1.86；光照充足，年均日照時數(shù)達2 400 h；≥10℃的有效積溫為2 883℃[18]，無霜期短，約為96～146 d。境內(nèi)土質(zhì)均一，地帶性土壤為黃綿土，質(zhì)地屬輕壤[19]，土壤容重1.17～1.21 g/cm3，平均為1.19 g/cm3[20]，田間持水量為20.6%，土壤凋萎濕度平均為4%[21]。全區(qū)水土流失面積達3 693 km2，約占土地總面積的97.40%，年侵蝕模數(shù)為0.54萬t/km2，是黃土高原極強度水土流失地區(qū)之一[17]。

研究區(qū)為我國退耕還林的試點示范縣和全國造林先進縣，自1999年開始實施退耕還林以來，累計完成退耕還林面積12.32萬hm2，林草覆蓋率達62.9%。該區(qū)以人工植被為主，包括有林地、疏林地和灌木林地，主要喬木類型為刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabuliformis)、山杏(Prunusarmeniaca)、山桃(Amygdalusdavidiana)和榆樹(Ulmuspumila)，灌木主要以檸條(Caraganakorshinskii)和沙棘(Hippophaerhamnoides)為主。

1.2 試驗設(shè)計與方法

1.2.1 樣地布設(shè) 試驗前首先對研究區(qū)主要土地利用類型及不同退耕還林(還草)植被類型實地調(diào)查，在此基礎(chǔ)上，選取15塊樣地分別代表不同種植年限的典型退耕還林植被類型，詳細調(diào)查記錄樣地內(nèi)植物種類、長勢(蓋度、高度、冠幅)、地貌特征(坡度、坡向、坡位、海拔)等相關(guān)信息(表1)。已有研究表明，在黃土高原半干旱區(qū)，只有林齡大于一定生長年限的植被，其土壤水分循環(huán)過程才能基本穩(wěn)定，此時土壤水分的差異主要受植被類型的影響，因此本研究所選植被類型均為10齡以上，以避免初始土壤含水量對當(dāng)季土壤水分的影響[22]。同時，為避免地貌部位不同對土壤水分的影響，采樣點均選擇在陽坡峁頂立地條件相近的地方，各樣地基本信息見表1。

圖1 1956-2015年研究區(qū)多年月平均溫度及降水分布

1.2.2 土壤樣品采集 于2014年7月，采用土鉆法進行土樣采集，測定深度為500 cm，間距為20 cm。根據(jù)烘干法取每層平均值作為該測層的土壤含水量。采樣期間均無有效降水分布，因而可避免單次降水事件對取樣的影響，所測數(shù)值能真實反映土壤水分的自然變化狀況。

土壤樣品采集的同時，在樣地附近(1 m范圍以內(nèi))挖取40 cm深的土壤剖面，使用環(huán)刀(直徑5 cm，高5 cm，容積100 cm3)分上下兩層(0—20 cm，20—40 cm)采集土壤原狀土測定土壤容重、飽和含水量等土壤水分物理性質(zhì)。

1.3 相關(guān)土壤水分指標(biāo)計算方法

采用烘干稱重法測定土壤含水量，將已稱取濕重后的土壤樣品，置于鼓風(fēng)干燥箱于105℃條件下連續(xù)烘干18 h至恒重后稱量干土質(zhì)量。土壤含水量計算公式為：

(1)

式中：SMC(soil moisture content)為土壤含水量(%)；G1為鋁盒與濕土質(zhì)量(g)；G2為鋁盒與干土質(zhì)量(g)；G為空鋁盒質(zhì)量(g)。

土壤儲水量(SMS)為一定厚度(H)土層所貯存的水量，計算公式為：

SMS=BD×SMC×H×0.1

(2)

式中：SMS(soil moisture storage)為土壤儲水量(mm)；BD(bulk density)為土壤容重(g/cm3)，取值為1.19 g/cm3；H表示土層厚度(cm)。

土壤有效儲水量表示土壤實際儲水量與凋萎濕度時土壤儲水量的差值，計算公式為：

針對目前已投放使用的“部編本”語文課本，根據(jù)《教育部編義務(wù)教育語文教科書二年級上冊》與人民教育出版社《義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書語文二年級上冊》（以下簡稱人教版）中“識字加油站”與“識字”兩個模塊的對比，就“部編本”教材體現(xiàn)的新高度，得出以下結(jié)論：

ASMS=SMS-SMSWM

(3)

式中：ASMS(available soil moisture storage)為土壤有效儲水量(mm)；SMSWM表示土壤水分處于凋萎濕度時的土壤儲水量(mm)。

土壤水分過耗量表示土壤儲水量與土壤達到穩(wěn)定濕度時土壤儲水量的差值，計算公式為：

SMO=SMS-SMSSSM

(4)

式中：SMO(soil moisture overconsumption)為土壤水分過耗量(mm)；SMSSSM表示土壤水分處于穩(wěn)定濕度時的土壤儲水量(mm)。

土壤相對濕度，即土壤含水量與土壤田間持水量的比值，作為土壤水分對植物有效性的評價標(biāo)準(zhǔn)，其計算公式為：

(5)

式中：RSM(relative soil moisture)為土壤相對濕度(%)；FC(field capacity)為田間持水量(%)。針對研究區(qū)輕壤質(zhì)地，按照楊文治等[21]研究結(jié)果將土壤水分有效性依次劃分為滲透重力水、極易效水、易效水、中效水和難效表示無效水5個等級(表2)。

表2 土壤水分有效性等級分類

(6)

式中：SDI(soil desiccation index)為土壤干燥化指數(shù)，用于表征土壤干燥化強度，WM(wilting moisture)為土壤凋萎濕度(%)，SSM(stable soil moisture)為土壤穩(wěn)定濕度(%)，作為判別林草地土壤干燥化的上限指標(biāo)[14]。在黃土高原半濕潤半干旱地區(qū)，由于土壤含水量隨降水變化而不斷發(fā)生變化，短期內(nèi)不易直接測定深層土壤穩(wěn)定濕度，因而參照前人研究[23]，采用土壤凋萎濕度和田間持水量的算術(shù)平均值作為土壤穩(wěn)定濕度值，約為田間持水量的50%～70%，同時將凋萎濕度作為判別土壤干燥化的下限指標(biāo)。式中，SDI數(shù)值越小，說明土壤干燥化強度越大，根據(jù)土壤干燥化指數(shù)將土壤干燥化強度劃分為以下6個等級(表3)：

表3 土壤干燥化強度評價等級

2 結(jié)果與分析

2.1 不同退耕還林植被類型土壤含水量

2.1.1 不同退耕還林植被類型剖面土壤含水量變化 就相同林齡的退耕還林植被類型而言，刺槐林土壤含水量均小于同齡沙棘與檸條灌木林，而杏樹林則較同齡檸條灌木林土壤水分為高(表4)。如10 a，15 a刺槐林土壤含水量分別為6.57%，6.61%，分別較同齡沙棘林土壤含水量低34.55%和19.36%；25 a刺槐林土壤含水量較25 a檸條林低27.95%；而30 a與50 a杏樹林土壤水分則較同齡檸條林分別高74.07%和11.90%。

表4 不同退耕還林植被類型及對照撂荒草地土壤含水量比較

不同退耕還林植被類型剖面土壤含水量大體上呈現(xiàn)由表層向深層土壤逐漸減少的變化趨勢，在表層0—100 cm范圍內(nèi)土壤含水量變化比較活躍，由表層高值快速減少；100 cm土層以下，除38 a沙棘林土壤水分變化差異較大外，其余各樣地土壤含水量變化曲線均呈波動減少趨勢，但剖面土壤含水量最大值出現(xiàn)位置略有差異，其中10 a刺槐林、30 a杏樹林在150 cm附近出現(xiàn)最大值，30 a檸條林與10 a沙棘林在220 cm土層處土壤含水量最高，而18 a與38 a沙棘林則分別在320 cm與360 cm處達到最大(圖2)。

圖2不同退耕還林植被類型剖面土壤水分

2.1.2 不同林齡退耕還林植被類型土壤水分總量水平 研究區(qū)內(nèi)4種不同退耕還林植被類型0—500 cm剖面土壤含水量隨林齡變化見表4，結(jié)果表明，除刺槐林土壤含水量呈波動變化外，其余各植被類型土壤含水量、土壤有效儲水量均隨林齡增加而逐漸降低。不同林齡刺槐林土壤含水量主要介于3.65%～6.61%，平均為5.41%，但42 a刺槐林土壤水分條件優(yōu)于25 a刺槐林地；杏樹林土壤含水量，由20 a的11.33%逐年減少到50 a的3.76%水平，平均為7.22%；25 a，30 a和50 a檸條林平均土壤含水量為3.94%，20 a檸條林最大為4.67%，50 a檸條林最小為3.36%；不同林齡沙棘林土壤含水量變化范圍為4.19%～8.48%，平均為6.98%。除20 a杏樹林平均土壤含水量(11.33%)高于對照撂荒草地(9.29%)外，其余不同林齡退耕還林植被類型均顯著低于對照撂荒草地。

較土壤穩(wěn)定濕度而言，除刺槐林土壤水分過耗量隨林齡增加呈波動變化外，其余不同退耕還林植被類型土壤水分過耗量均隨林齡呈逐漸增加趨勢，刺槐、杏樹、檸條和沙棘林土壤水分過耗量平均值分別為409.96，302.06，497.62，316.54 mm，年均土壤干燥化速度分別為10.61～34.09，1.92～17.02，15.23～18.16，12.70～22.73 mm/a，沙棘林年均土壤干燥化速度隨林齡增加呈逐漸減小的變化趨勢。

2.2 不同退耕還林植被類型土壤水分有效性評價

研究區(qū)不同退耕還林植被類型土壤水分有效性分級結(jié)果，及各有效性級別土層厚度占剖面土層總厚度的比重見表5，結(jié)果得出各植被類型樣地在0—500 cm土層剖面均不含滲透重力水與極易效水層，并且隨著林齡的增加，各土壤水分有效性級別的土壤平均相對濕度大致呈減少趨勢，同時易效水層厚度所占剖面土層總厚度比重逐漸減少，而中效水、難效—無效水層厚度所占比重逐漸增加。

刺槐林各樣地中，10 a刺槐林以中效水在剖面土層所占比重最高，平均相對濕度為36.38%，且主要分布在0—320 cm土層范圍，其余320 cm以下均為難效—無效水層；15 a，25 a，42 a刺槐林則以難效—無效水比重最大，并在25 a刺槐林整個土壤剖面均為難效—無效水層。20 a，30 a和50 a杏樹林分別以易效水、中效水和難效—無效水層厚度占比最高，分別達84%，60%和92%，對應(yīng)土層土壤平均相對濕度分別為56.20%，38.20%和16.27%。不同林齡檸條林中，難效—無效水層厚度占比最大，僅在25 a檸條林表層0—60 cm出現(xiàn)少量中效水層，30 a與50 a檸條林剖面均為難效—無效水控制。10 a，15 a，18 a沙棘林以中效水土層占比最高，而38 a沙棘林剖面則全部為難效—無效水層。對照撂荒草地中88%土層的土壤水分在中效水范圍內(nèi)，平均相對濕度為45.37%，主要分布在土壤垂直剖面的20—300 cm及340 cm以下，其余土層則分布為少量的易效水和難效—無效水。

表5 不同退耕還林植被類型土壤水分有效性評價

2.3 不同退耕還林植被類型土壤干燥化評價

研究區(qū)內(nèi)不同退耕還林植被類型土壤干燥化強度及剖面土壤干層范圍評價結(jié)果見表6，結(jié)果表明，除刺槐林樣地外，不同退耕還林植被類型土壤干燥化指數(shù)SDI隨林齡增加呈降低趨勢，土壤干燥化強度逐漸增加并遠大于對照撂荒草地(SDI=63.75%)。除20 a杏樹林樣地土壤干層厚度為440 cm外，其余不同林齡退耕還林植被類型剖面土壤干層厚度均達500 cm，并且隨林齡增加，土壤干層程度逐漸加深，強烈干燥層和極度干燥層厚度增加，而輕度、中度干燥層厚度減少。如不同林齡刺槐林樣地0—500 cm土層的平均土壤干燥化指數(shù)SDI介于-4.19%～31.47%，平均值為17.01%，10 a，15 a刺槐林土層剖面以嚴重干燥層為主，但隨著林齡增加，25 a，42 a刺槐林強烈及以上干燥層厚度分別達500 cm和440 cm，占土壤剖面總厚度的88%以上，土壤干燥化強度逐漸增強。在不同林齡沙棘林樣地中，10 a，15 a，18 a，38 a沙棘林0—500 cm土層的平均土壤干燥化指數(shù)SDI介于2.27%～53.99%，10 a，15 a和18 a沙棘林分別達到中度及嚴重干燥化強度，38 a沙棘林達強烈干燥化強度，并已接近極度干燥化水平。而對照樣地撂荒草地土壤干燥化指數(shù)為63.75%，達中等干燥化強度。

不同退耕還林植被類型剖面土壤干層分布結(jié)果顯示，土壤干燥化程度隨土層深度的增加逐步加深，土壤含水量狀況越接近土壤干燥化下限(WM)，甚至低于凋萎濕度。如在不同林齡檸條樣地，25 a，30 a和50 a檸條林剖面土壤水分均接近土壤干燥化下限值，因而自表層向深層500 cm土層均出現(xiàn)不同程度的土壤干燥化現(xiàn)象，并且越向深層，土壤干燥化程度越大。另外，就同一土層深度，除25 a刺槐林地外，其余不同林齡退耕還林植被類型土壤干燥化程度大致隨林齡增加逐步加強。如20 a，30 a，50 a杏樹林樣地中，0—200 cm土壤干燥化強度分別為輕度、中度和強烈干燥化，200—300 cm土壤干燥化強度分別為輕度、嚴重、強烈土壤干燥化，300—500 cm土壤干燥化強度則逐漸加強，分別達輕度、強烈和極度干燥化水平。

2.4 不同退耕還林植被類型土壤干層水分恢復(fù)估算

研究區(qū)1957—2014年降水量270～786.3 mm，平均為467.8 mm，其中1964年達最大值768.3 mm。為判定不同退耕還林植被類型土壤干層水分恢復(fù)情況，綜合考慮近60 a降水?dāng)?shù)據(jù)，按照平均降水量上下10%區(qū)間依次劃分為豐水年、平水年、欠水年[24]，對應(yīng)降水量分別為514.6，467.8，421.1 mm。若大致以一季作物耗水量350 mm[14]計算，糧草輪作情況下土壤濕度年恢復(fù)量分別為164.6，117.8，71.1 mm，在連續(xù)豐水年、平水年和欠水年條件下，各樣地土壤水分恢復(fù)到土壤穩(wěn)定濕度水平總體上表現(xiàn)為隨林齡增加恢復(fù)難度有所增加，且所需時間逐漸增加(表7)。例如，10 a，15 a刺槐林土壤水分恢復(fù)到土壤穩(wěn)定濕度時分別需要3，3，5 a；25 a刺槐林分別需要4，5，8 a；42 a刺槐林則分別需要3，4，7 a。若綜合考慮各降水年型出現(xiàn)的概率，10 a，15 a刺槐林需要4 a；25 a，42 a刺槐林則需要至少5 a；其余不同林齡退耕還林植被類型樣地土壤濕度恢復(fù)到土壤穩(wěn)定濕度則需要1～6 a不等；對照撂荒草地需要2 a以上。

表6 不同退耕還林植被類型土壤干燥化強度及土壤干層范圍

表7 不同退耕還林植被類型土壤干層水分恢復(fù)所需水量和時間估算

3 討 論

不同退耕還林植被類型土壤含水量與土壤有效儲水量隨林齡增加逐漸降低，土壤水分過耗量則隨林齡呈增加趨勢。通常，隨林齡增加，各植被類型生長耗水量明顯增加，使剖面土壤水分明顯下降。郭忠升等[25]對固原人工檸條林土壤水分連續(xù)5 a觀測后發(fā)現(xiàn)，檸條林對土壤水分的影響程度隨林齡增加逐漸增強，土壤含水量與土壤儲水量顯著減少。盧建利等[26]通過研究黃土丘陵半干旱區(qū)4，8，12，15 a沙棘林生長季內(nèi)的土壤水分動態(tài)特征，得出不同林齡沙棘林均對土壤水分消耗強烈，0—600 cm土層的平均含水量與土壤儲水量均隨林齡增加表現(xiàn)出明顯的減少趨勢，均與本文研究結(jié)果一致。但42 a刺槐林土壤水分狀況較25 a更優(yōu)，其原因可能是隨刺槐林齡的增加，老齡刺槐林逐步退化甚至出現(xiàn)死亡，自疏現(xiàn)象明顯[27]，因而對土壤水分的消耗量相對減少，土壤含水量得到少量恢復(fù)。常譯方等[28]對晉西黃土區(qū)不同密度刺槐林的土壤水分研究表明，低密度刺槐林的年均土壤儲水量較高密度刺槐林高，同時以田間持水量的60%作為土壤適宜儲水量標(biāo)準(zhǔn)，低密度刺槐林達到適宜儲水量的天數(shù)較高密度刺槐林長達60 d，低密度刺槐林的儲水效果明顯優(yōu)于高密度刺槐林。另外，樣地調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，42 a刺槐林密度為300株/hm2，較25 a的725株/hm2顯著減少(表1)，也再次說明減小密度能部分恢復(fù)土壤含水量。但是，莫保儒等[29]對半干旱黃土區(qū)成熟檸條林土壤水分研究中發(fā)現(xiàn)，人工林密度只在人工林群落初始發(fā)育階段影響較大，由于人工林植被強烈的水分耗散，使土壤含水量迅速減少，但當(dāng)人工林進入成熟或衰老階段后，人工林密度的影響逐步減弱，土壤水分有所恢復(fù)，此時僅有群落蓋度和高度對土壤水分影響較大。這與本文刺槐林土壤水分狀況有所差異，可推斷出土壤耗水模式與灌木林、喬木林的生理生態(tài)特征差異直接相關(guān)，冠層結(jié)構(gòu)對林下土壤水分的作用影響也較大。

黃土高原地區(qū)，人工植被的降水入滲深度一般不超過150 cm，因而表層0—100 cm受降水、蒸發(fā)和植被蒸騰作用強烈，土壤水分變化活躍，100 cm以下則相對較為穩(wěn)定。在干旱氣候條件下，林草植被往往不可能僅從降水中獲取足夠的水分[30]，隨植被旺盛生長，植被蒸騰量與土壤蒸發(fā)量增加，為滿足正常生長水分需求，根系不斷向下延伸以吸取深層土壤水分，在強烈的土壤水分消耗作用下，剖面土壤含水量明顯下降，大致呈現(xiàn)由表層向深層逐漸減少的變化趨勢。并且隨林齡增加，各植被類型樣地土壤平均相對濕度逐漸減少，土壤水分有效性降低，中效與難效—無效水層厚度所占土層總厚度比重也逐漸減少，這與前期在黃土高原北部所得結(jié)果一致[31]。另外，植被根系，尤其是細根作為吸收土壤水分的主要器官，其分布深度與細根密度對土壤水分的消耗有重要作用。相關(guān)研究表明，刺槐和檸條均屬深根系植被，根系分布較深，部分區(qū)域根深可達21.5 m和6.4 m[8,11]。但是，細根表面積密度隨土層深度增加逐漸增大，基本到0.5—1.2 m土層達到最大值，之后隨土層深度的增加緩慢減少，因而也進一步從側(cè)面反映了根區(qū)土壤水分狀況，100 cm土層以下的土壤水分較為穩(wěn)定。

黃土高原地區(qū)降水是土壤水分的主要補給源，土壤蒸發(fā)及植被蒸騰耗水是土壤水分消耗的主要輸出項，由于降水量小于蒸散發(fā)耗水量，使土壤水分常處于虧缺狀態(tài)，低于土壤穩(wěn)定濕度，這樣自然降水、土壤儲水和林草植被耗水關(guān)系失衡便形成了土壤干燥化現(xiàn)象，并在土壤剖面產(chǎn)生程度不一的厚層干燥化土層。土壤干燥化程度及土壤干層范圍受土壤含水量影響，是由高耗水植被和降雨入滲補償?shù)挠行怨餐瑳Q定的[29]。由表6可知，土壤干燥化現(xiàn)象在研究區(qū)內(nèi)普遍存在，人工植被只是在一定空間尺度范圍內(nèi)加重了土壤干燥化程度[29]，隨林齡增加，土壤干燥化程度逐漸加強，干燥化土層在土壤剖面的分布深度亦有所差異。Li等[23]針對黃土高原不同植被類型區(qū)人工林地的深層土壤干燥化效應(yīng)研究表明，隨林齡增加，23種林地土壤干燥化強度逐漸加強，剖面土壤干層不斷加深加厚，這與本文研究結(jié)果一致。另外，降水量大小對干層土壤水分的恢復(fù)起著重要作用，由于降水量的差異以及林齡的共同作用，不同退耕還林植被類型樣地的干層土壤水分恢復(fù)時間及難度隨林齡增加而逐漸增加。黃土區(qū)土壤干燥化現(xiàn)象對植被恢復(fù)的影響極為嚴重，土壤干燥化除受降水影響較大外，還與植被的生理生態(tài)特征、土壤的持水性能及土壤質(zhì)地密切相關(guān)[32]。因而在黃土高原植被恢復(fù)建設(shè)過程中，必須充分考慮降水特征以及植被、土壤的影響，采取適地適樹(草)原則，根據(jù)土壤水分承載力要求，合理布局植被類型，選取合適的種植密度，以使土壤水資源得以持續(xù)健康利用。

4 結(jié) 論

(1) 不同退耕還林植被類型隨林齡增加，土壤含水量、土壤有效儲水量總體上由表層向深層呈降低趨勢，其中表層0—100 cm土壤水分變化活躍，土壤水分過耗量呈增加趨勢，而年均土壤干燥化速度則隨林齡增加表現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢。

(2) 各植被類型樣地土層剖面均不含滲透重力水與極易效水層，隨林齡增加，植被對土壤水分的有效性程度逐漸降低，各土壤水分有效性級別對應(yīng)的土壤相對濕度及易效水土層厚度占比逐漸減少，中效水、難效—無效水土層厚度逐漸增加。

(3) 隨林齡和土層深度的增加，不同退耕還林植被類型樣地土壤干燥化強度、土壤干層厚度逐漸增加，并遠高于對照撂荒草地，各樣地土壤濕度恢復(fù)到土壤穩(wěn)定濕度所需要的時間及難度呈上升趨勢，各樣地土壤水分恢復(fù)需1～6 a不等，對照撂荒草地則需要2 a以上。

參考文獻：

[1] Zhang B Q, He C S, Burnham M, et al. Evaluating the coupling effects of climate aridity and vegetation restoration on soil erosion over the Loess Plateau in China[J]. Science of the Total Environment, 2016,539:436-449.

[2] Lü Y H, Fu B J, Feng X M, et al. A policy-driven large scale ecological restoration: quantifying ecosystem services changes in the Loess Plateau of China[J]. Plos One, 2012,7(2): e31782.

[3] Wang S, Fu B J, Gao G Y, et al. Responses of soil moisture in different land cover types to rainfall events in a re-vegetation catchment area of the Loess Plateau, China[J]. Catena, 2013,101(3):122-128.

[4] Yang L, Chen L D, Wei W, et al. Comparison of deep soil moisture in two re-vegetation watersheds in semi-arid regions[J]. Journal of Hydrology, 2014,513(1):314-321.

[5] Deng L, Yan W M, Zhang Y W, et al. Severe depletion of soil moisture following land-use changes for ecological restoration: Evidence from northern China[J]. Forest Ecology and Management, 2016,366:1-10.

[6] Wang L, Wang Q J, Wei S P, et al. Soil desiccation for Loess soils on natural and regrown areas[J]. Forest Ecology and Management, 2008,255(7):2467-2477.

[7] Chen H S, Shao M A, Li Y Y. Soil desiccation in the Loess Plateau of China[J]. Geoderma, 2008,143(1):91-100.

[8] Wang Y Q, Shao M A, Zhu Y J, et al. Impacts of land use and plant characteristics on dried soil layers in different climatic regions on the Loess Plateau of China[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2011,151(4):437-448.

[9] Wang X C, Muhammad T N, Hao M D, et al. Sustainable recovery of soil desiccation in semi-humid region on the Loess Plateau[J]. Agricultural Water Management, 2011,98(8):1262-1270.

[10] Fan J, Gao Y, Wang Q J, et al. Mulching effects on water storage in soil and its depletion by alfalfa in the Loess Plateau of northwestern China[J]. Agricultural Water Management, 2014,138(22):10-16.

[11] Wang Y Q, Shao M A, Liu Z P. Large-scale spatial variability of dried soil layers and related factors across the entire Loess Plateau of China[J]. Geoderma, 2010,159(1):99-108.

[12] Wang Y Q, Shao M A, Liu Z P, et al. Regional spatial pattern of deep soil water content and its influencing factors[J]. Hydrological Sciences Journal, 2012,57(2):265-281.

[13] 萬素梅,賈志寬,韓清芳,等.黃土高原半濕潤區(qū)苜蓿草地土壤干層形成及水分恢復(fù)[J].生態(tài)學(xué)報,2008,28(3):1045-1051.

[14] 李軍,陳兵,李小芳,等.黃土高原不同干旱類型區(qū)苜蓿草地深層土壤干燥化效應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報,2007,27(1):75-89.

[15] 王志強,劉寶元,路炳軍.黃土高原半干旱區(qū)土壤干層水分恢復(fù)研究[J].生態(tài)學(xué)報,2003,23(8):1944-1950.

[16] 劉沛松,賈志寬,李軍,等.寧南山區(qū)紫花苜蓿土壤干層水分動態(tài)及糧草輪作恢復(fù)效應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報,2008,28(1):183-191.

[17] 石建華,喻理飛,孫保平.陜北地區(qū)退耕還林生態(tài)健康評價分析研究:以吳起縣為例[J].水土保持學(xué)報,2015,29(6):332-336.

[18] Zhang B, Wang D. Exploration of eco-economic development in ecological fragile region: A case study on Wuqi County in Shaanxi Province[J]. Agricultural Science & Technology, 2012,13(7):1524-1531.

[19] 盧紀元,朱清科,陳文思,等.陜北黃土區(qū)植被特征對坡面微地形的響應(yīng)[J].中國水土保持科學(xué),2016,14(1):53-60.

[20] 伍玉容,王潔,郭建英,等.黃土丘陵植被恢復(fù)區(qū)不同植被類型對土壤物理性質(zhì)的影響[J].灌溉排水學(xué)報,2009,28(3):96-98.

[21] 楊文治,邵明安.黃土高原土壤水分研究[M].北京:科學(xué)出版社,2000.

[22] Fan J, Shao M A, Wang Q J, et al. Toward sustainable soil and water resources use in China′s highly erodible semi-arid Loess Plateau[J]. Geoderma, 2010,55(1/2):93-100.

[23] Li J, Chen B, Li X F, et al. Effects of deep soil desiccation on artificial forestlands in different vegetation zones on the Loess Plateau of China[J]. Acta Ecologica Sinica, 2008,28(4):1429-1445.

[24] 穆興民,徐學(xué)選,陳霽巍.黃土高原生態(tài)水文研究[M].北京:中國林業(yè)出版社,2001.

[25] 郭忠升,邵明安.黃土丘陵半干旱區(qū)檸條錦雞兒人工林對土壤水分的影響[J].林業(yè)科學(xué),2010,46(12):1-7.

[26] 盧建利,陳云明,張亞莉,等.黃土丘陵半干旱區(qū)沙棘生長對土壤水分及養(yǎng)分的影響[J].水土保持研究,2008,15(3):137-145.

[27] Yao X L, Fu B J, Lü Y H, et al. The multi-scale spatial variance of soil moisture in the semi-arid Loess Plateau of China[J]. Journal of Soils and Sediments, 2012,12(5):694-703.

[28] 常譯方,畢華興,許華森,等.晉西黃土區(qū)不同密度刺槐林對土壤水分的影響[J].水土保持學(xué)報,2015,29(6):227-232.

[29] 莫保儒,王子婷,蔡國軍,等.半干旱黃土區(qū)成熟檸條林地剖面土壤水分環(huán)境及影響因子研究[J].干旱區(qū)地理,2014,37(6):1207-1215.

[30] 程積民,萬惠娥,王靜,等.半干旱區(qū)檸條生長與土壤水分消耗過程研究[J].林業(yè)科學(xué),2005,41(2):37-41.

[31] 梁海斌.晉西北黃土丘陵區(qū)不同林齡檸條林地土壤水分特征研究[D].太原:山西大學(xué),2014.

[32] 呂文強,王立,黨宏忠,等.黃土高原坡面帶狀植被土壤水分有效性的空間分異特征[J].水土保持學(xué)報,2015,29(6):233-240.